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F R A U N H O F E R -I N S T I T U T F ÜR S O L A R E E N E R GI E S Y S T E ME , I S E100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜRSTROM UND WÄRME IN DEUTSCHLAND

100 % ERNEUERBARE ENERGIEN FÜRSTROM UND WÄRME IN DEUTSCHLANDHans-Martin Henning, Andreas PalzerFraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEIm Rahmen von Eigenforschung erstellte StudieFreiburg, 12. November 2012

Inhalt1Einführung und zentrale Ergebnisse . 52Methodisches Vorgehen . 73Technische Potenziale . 1444.14.24.34.4Ergebnisse . 16Ziel-Systeme mit 100 % erneuerbaren Energien für Strom und Wärme . 16Zeitverlauf von Stromerzeugung und -nutzung . 21Kostenanalyse . 23Anteilige Nutzung fossiler Brennstoffe und Im-und Export von Strom . 255100 % erneuerbare Energien für den gesamten Energiesektor? . 286Zusammenfassung und Ausblick . 31Literatur . 32Anhang . 34Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme4 37

1Einführung und zentrale ErgebnisseEinführung und zentraleErgebnisseDie derzeitige Diskussion um die Energiewende ist stark geprägt von wichtigenaktuellen Entscheidungen über die Ausgestaltung der politischen Instrumente wie z. B.das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und von sehr kontrovers geführtenDiskussionen. Inhalte dieser Diskussionen betreffen z. B. den Umfang des Umbaus derelektrischen Netze oder den Bedarf an zusätzlichen Pumpspeicher-Kraftwerken undschnell reagierenden Gaskraftwerken. In dieser Studie wollen wir etwas Abstand vonden tagespolitischen Diskussionen zum Thema Energiewende nehmen und eine kleineZeitreise unternehmen – sagen wir in das Jahr 2050. Wie könnte dann dieEnergieversorgung Deutschlands (Strom und Wärme) aussehen? Können wir uns dannzu 100 % mit erneuerbaren Energien versorgen? Welche Techniken werden dafürverwendet? Und wie teuer ist der Betrieb eines solchen Energiesystems?Um diese Fragen solide und fundiert beantworten zu können, haben wir einphysikalisches Modell für das Energiesystem Deutschlands erstellt, und zwar ein Modell,bei dem der Bedarf an Strom und Wärme zu 100 % mit erneuerbaren Energiengedeckt wird1. Es handelt sich also um ein Extrem-Szenario, bei dem erstens keinefossilen Energien mehr benötigt werden und bei dem zweitens auch kein Energie(Strom-) Austausch mit den Nachbarländern stattfindet bzw. stattfinden muss.Bevor wir die Methodik des Ansatzes und die Ergebnisse im Detail vorstellen, hier vorabdie zentralen Ergebnisse:1. Eine Energieversorgung Deutschlands für Strom und Wärme ist mit 100 %erneuerbaren Energien möglich, und zwar ohne jegliche Importe von Energie,also nur auf Basis von Ressourcen, die in Deutschland zur Verfügung stehen.Wir stoßen nicht an technische Potenzialgrenzen und alle Techniken, dienotwendig sind, sind grundsätzlich verfügbar. Dies schließt natürlich nicht aus,dass an vielen Stellen teilweise erhebliche technische Verbesserungen undWeiterentwicklungen möglich sind und stattfinden werden. Wir haben diesenach bestem Wissen und Gewissen in unser Bild für 2050 mit einbezogen.2. Die Gesamtkosten für den Bau, den Erhalt und die Finanzierung für eine auf100 % erneuerbaren Energien basierende Strom- und WärmeversorgungDeutschlands sind nicht höher als die Kosten, die heute für die Versorgung(Bau, Erhalt, Brennstoffkosten und Finanzierung) mit Strom und Wärmeverwendet werden. Dabei sind noch keinerlei zukünftig zu erwartendenPreissteigerungen für fossile Energien berücksichtigt, sondern heutigeWeltmarktpreise für fossile Energieträger verwendet worden. Was sind dieGesamtkosten in einem solchen, zukünftigen Energiesystem? Brennstoffkostenfallen keine mehr an. Jedoch müssen sämtliche technische Anlagen nachAblauf ihrer Lebensdauer ersetzt werden, es fallen also Re-Investitionen an.Und sie müssen betrieben und erhalten werden, es fallen also Wartungskostenan. Außerdem müssen die Anlagen (einschließlich der Netze) und ihr Erhaltfinanziert werden, wofür wir Kapitalkosten mit in unsere Rechnungeneinbezogen haben.1Das Modell behandelt im derzeitigen Stadium nur den Strom und Wärmesektor, nicht jedoch denBrennstoff-basierten Verkehr und Brennstoff-basierte Industrieprozesse. Die im Modell abgedecktenBereiche waren 2010 für rund 62 % des Primärenergieverbrauchs Deutschlands verantwortlich. Hierzufolgen weiter hinten im Text weitere Anmerkungen.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme5 37

3. Es gibt nicht nur ein optimales System. Unsere Rechnungen zeigen, dass esverschiedene Systeme gibt, die zu ähnlich niedrigen Gesamtkosten gelangen.Dies ist wichtig, da daraus eine gewisse Flexibilität in der Ausgestaltung desEnergiesystems resultiert. Somit können andere Kriterien als nur technischökonomische in die Ausgestaltung einfließen, wie z. B. die unterschiedlicheAkzeptanz diverser Maßnahmen oder auch die Beteiligung vielerunterschiedlicher Investoren von Gebäudebesitzern (Privatpersonen,Wohnungsbaugesellschaften, Eigentümer von Gewerbeimmobilien usw.) überKommunen und Stadtwerke bis hin zu Energie-Versorgungsunternehmen undNetzbetreibern.4. Dennoch ist offensichtlich, dass ein massiver Ausbau von Wind auf dem Landund auf der See, sowie eine massive Installation von Solaranlagen – sowohlPhotovoltaikanlagen zur Strombereitstellung als auch Solarwärmeanlagen –stattfinden muss, um zu einer 100 % Versorgung mit erneuerbaren Energienfür Strom und Wärme zu gelangen. Ein weiterer zentraler Baustein ist dieSenkung des Heizwärmebedarfs des Gebäudesektors durch energetischeGebäudesanierung.5. Eine Versorgung mit weniger als 100 % erneuerbaren Energien, sowie dasZulassen von Stromimport und -export, führen dazu, dass überproportionalweniger Wandler erneuerbarer Energien erforderlich sind und dass vor allemkeine großflächige Infrastruktur für synthetisches Gas aus erneuerbarenEnergien (Power-to-Gas) notwendig ist.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und WärmeEinführung und zentraleErgebnisse6 37

2Methodisches VorgehenMethodisches VorgehenUm die Frage zu beantworten, wie ein zuverlässiges Energiesystem Deutschlandsaussehen kann, das zu 100 % auf erneuerbaren Energiequellen für die Versorgung mitStrom und Wärme basiert, haben wir zunächst eine Liste der Komponenten erstellt, diein einem solchen Energiesystem aus heutiger Sicht vorkommen werden. Dies sind alsEnergieerzeugungskomponenten Wandler von Wind, Sonne, Biomasse und Wasser inStrom und Wandler von Sonne und Biomasse in Wärme. Bei einer hundertprozentigenVersorgung aus erneuerbaren Energien sind dies die wichtigsten grundlegendenProzesse zur Energiebereitstellung1. Wegen der Fluktuation und Nichtplanbarkeit derEnergieerzeugung aus Sonne und Wind werden Speicher benötigt. Hier haben wirPumpspeicher-Kraftwerke und Batterien als Stromspeicher modelliert sowieWärmespeicher in unterschiedlichen Größen auf Basis von Wasser als Speichermedium.Außerdem haben wir die Umwandlung von Strom in synthetisches Gas (Methan) insogenannten Power-to-Gas-Anlagen berücksichtigt2. Dieses Gas, das eine neutraleCO2-Bilanz aufweist, da bei seiner Herstellung CO2 und H2 zu CH4 synthetisiert werden,kann zusammen mit Biogas in vorhandenen Kavernen gespeichert werden und über dieexistierende Erdgasinfrastruktur der Nutzung zugeführt werden. Für die Erzeugung vonStrom aus Gas haben wir effiziente Gas- und Dampf (GuD) -Kombikraftwerke undAnlagen der Kraftwärmekopplung (KWK) in Form zentraler GuD-KWK Anlagen unddezentraler Blockheizkraftwerke (BHKW) einbezogen3. Somit kann auch Strom aufBasis des synthetischen Gases bereitgestellt werden, wenn alle erneuerbaren Erzeugerkeinen Beitrag liefern können und die kurzfristigen Stromspeicher erschöpft sind. Fürdie Wärmeversorgung kommen neben elektrischen Wärmepumpen auch Wärmenetzesowie Gas-Wärmepumpen und BHKW in Betracht, die in der Modellierungberücksichtigt wurden. Gas-Wärmepumpen betrachten wir als die mittel- bislangfristige Nachfolgetechnologie für heutige Brenner-basierte Heiztechniken; eshandelt sich dabei um Verbrennungsprozesse, die jedoch den Exergiegehalt deseingesetzten Brennstoffs wesentliche effizienter ausnutzen. Ein Schema desGesamtsystems, das der Modellierung zu Grunde liegt, zeigt Abb. 1.An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass das Modell im derzeitigen Stadium lediglich dengesamten deutschen Strombedarf und den gesamten Bedarf für Niedertemperaturwärme in allen Sektoren umfasst. Die notwendige Energie für die Wärmebereitstellungder verschiedenen Sektoren (Wohngebäude, Gebäude für Gewerbe, Handel,Dienstleistungen und Gebäude der Industrie) setzt sich zusammen aus derWarmwasserbereitung und der Bereitstellung von Heizwärme. Nicht enthalten sind der1Die Nutzung oberflächennaher Geothermie wird in unserem Modell durch Wärmepumpen berücksichtigt.Tiefen-Geothermie zur Strombereitstellung wird zukünftig – vor allem weltweit betrachtet – auch einewichtige Rolle spielen, hat in Deutschland auf nationaler Ebene allerdings ein vergleichsweise geringesPotenzial. Tiefen-Geothermie für die direkte Wärmebereitstellung hat auch an vielen Orten Deutschlandsein großes theoretisches Potenzial. Allerdings sind Aussagen über Kosten mit großen Ungewissheitenversehen, so dass eine entsprechende Berücksichtigung in unserem Modell zum derzeitigen Zeitpunkt nichtadäquat möglich ist.2Eine detaillierte Beschreibung dieses Prozesses findet sich zum Beispiel in [1].3Eine Alternative zur Herstellung von Methan und dessen Nutzung in GuD-Kraftwerken ist die Herstellungvon Wasserstoff und die Verstromung in Brennstoffzellen. Dann kann allerdings die bestehende ErdgasInfrastruktur nicht unverändert verwendet werden. Die Kosten für eine Änderung bzw. Ergänzung derErdgas-Infrastruktur für die Nutzung mit reinem Wasserstoff sind sehr schwer abschätzbar. Außerdem istaus heutiger Sicht die zukünftige Entwicklung der Kosten von stationären Brennstoffzellen schwerabsehbar. Wir haben deshalb in den Rechnungen sowohl hinsichtlich der Umwandlungseffizienzwerte alsauch der Kosten die Methan-Kavernen-Erdgasnetz-Kette verwendet.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme7 37

Brennstoff-basierte Verkehr1 und Brennstoff-basierte Prozesse der Industrie. Elektrischangetriebene Verkehrssysteme wie die Bahn sind dagegen in unserem Modellberücksichtigt. Mit unserem Modell erfassen wir somit Sektoren, die heute für ca.62 % des Primärenergiebedarfs verantwortlich sind (vgl. [2]).Methodisches VorgehenDer Vorteil unseres Modells im Vergleich zu existierenden ähnlichen Modellen (vgl. z.B.[3-10]) liegt darin, dass zusätzlich zum Stromsektor auch der Wärmesektor indetaillierter Weise berücksichtigt wird. Deshalb wird neben der Ermittlung dergünstigsten Zusammensetzung der Komponenten für die Wärmeversorgung auch dieenergetische Gebäudesanierung in den Optimierungsrechnungen als freier Parameterberücksichtigt. Für die Zukunft planen wir auch die Einbeziehung des Verkehrssektors,der heute auf Brennstoffen basiert sowie – zumindest bilanziell – der Brennstoffbasierten Industrieprozesse in die Modellierung. Eine erste, grobe Abschätzung zu derAuswirkung der Einbeziehung dieser zwei Sektoren in die Gesamtbilanz findet sich inKapitel 5 dieser Studie.PhotovoltaikElektr. rom tr.WärmepumpeWärmespeicherSolarthermieFossile EnergieWärmelasttotalWärmelastelektr. WP rthermieWasserkraftWärmelastKWK solarzentralWärmelastGas-WP solarGasWärmepumpeSolarthermieWärmelastMini-KWK solarWärmespeicherÜberschussWärmeStrom ImportAbb. 1 Schematische Darstellung der Systemzusammensetzung.(Quelle: Eigene Darstellung)1d.h. vor allem der heutige, hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen bzw. Kraftstoffen basierende PKW- undLKW-Verkehr sowie der Luftverkehr und nicht-elektrischer Schienenverkehr.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme8 37

Methodisch wird wie folgt vorgegangen:Methodisches VorgehenFreie und fixe ParameterFür jede Komponente, deren optimale Größe innerhalb einer Optimierung bestimmtwerden soll, wird ein ausreichend großes Intervall angegeben, innerhalb dessen dererwartete Zielwert liegt. Für die Photovoltaik nehmen wir z. B. an, dass die installierteGesamtkapazität in einem optimierten Energiesystem einen Wert zwischen 0 GW undsicher nicht mehr als 400 GW annimmt. Für einige Komponenten haben wir die obereGrenze auf die heute bekannten Potenzialgrenzen (vgl. Kapitel 3) beschränkt oder dieGröße fix vorgegeben, da die Kapazität mancher Technologien schon heute annähernderreicht ist. So haben wir für die Kapazität der Laufwasserkraftwerke einen fixen Wertvon 5 GW maximaler Leistung bei einer Jahreserzeugung von 21 TWh angenommen.Die Leistung und die speicherbare Energiemenge der implementiertenPumpspeicherkraftwerke wurden mit 10 GW bzw. 60 GWh als konstant angenommenund für die Verwendung von Biomasse im Strom- und Wärmesektor wurde ein fixerWert von 50 TWh (gasförmige Bio-Brennstoffe) festgelegt.Im Gegensatz zu den fixierten Werten wird von folgenden Komponenten innerhalb derOptimierung die optimale Größe ermittelt: Wind onshore, Wind offshore, Photovoltaik,zentrale Solarthermie (in Verbindung mit Wärmenetzen), dezentrale Solarthermie inEinzelgebäuden, Batteriespeicher, zentrale Wärmespeicher, Power-To-Gas-Leistung,GuD-Kraftwerke, zentrale GuD-KWK Anlagen, dezentrale BHKW, elektrischeWärmepumpen und Gas-Wärmepumpen sowie den Umfang der energetischenGebäudesanierung. Die notwendigen Größen von Stromnetzen (Seekabel für WindOffshore, Übertragungsnetze, Verteilnetze) und Wärmenetzen ergeben sich inAbhängigkeit der Größe der jeweiligen Erzeugungskomponenten. So werden zumBeispiel für die Netzanbindung von Wind offshore Anlagen Verbindungsleitungen zumlandgebundenen Netz benötigt oder das Niederspannungsnetz muss in Abhängigkeitder Verbreitung von Photovoltaikanlagen ausgebaut werden.ProgrammablaufZu Beginn einer Optimierungsrechnung wird für jede der oben genanntenKomponenten, deren Größe innerhalb der Optimierung ermittelt werden soll, einAnfangswert innerhalb des gewählten Wertebereichs angenommen. Mit diesenAnfangswerten wird das gesamte Energiesystem für sämtliche Stunden des Jahresdurchgerechnet. Dabei verwenden wir als Bedarfszahlen für Strom das Profil des Jahres2011[11]. Der stündliche Wärmebedarf wird über eine außentemperaturabhängigeFunktion im Modell berücksichtigt, wobei der Außentemperaturverlauf des Jahres 2011verwendet wird. Die Jahressummen betragen für den Strombedarf 500 TWh und fürden Bedarf an Niedertemperaturwärme für Heizung und Warmwasser 886 TWh 1, alsodie heutigen Verbrauchswerte (vgl. [2]). Beim Strombedarf ist zu berücksichtigen, dasswir vom Gesamtstrombedarf denjenigen Strombedarf abgezogen haben, der heute fürNiedertemperaturwärme-Anwendungen genutzt wird, da dies Bestandteil unserer1Der Wert 886 TWh ist der Endenergiebedarf für Raumwärme und Warmwasser in Wohngebäuden,Gebäuden des GHD-Sektors und Gebäuden der Industrie in 2010 in Deutschland (vgl. [2]). In unserenRechnungen werden die verbrauchsseitigen Versorgungstechniken (z. B. Wärmepumpen, Wärmespeicher)teilweise mit abgebildet, deren Verluste in der oben genannten Zahl mit enthalten sind. Andererseitsmodellieren wir nicht die hydraulischen Systeme in Gebäuden. Insofern haben wir uns entschieden denoben genannten Wert zu verwenden, was somit tendenziell eher zu einer Überschätzung desWärmebedarfs führt. Damit sind die Rechnungen bezüglich des Wärmebedarfs »auf der sicheren Seite«.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme9 37

Modellierung ist. Für die Stromerzeugung aus Sonne und Wind (getrennt nach offshoreund onshore) haben wir die Erzeugungs-Zeitreihen aus dem Jahr 2011 verwendet [1214], wobei die Leistung entsprechend der in der jeweils aktuellen Rechnung angenommenen Kapazitäten dieser Komponenten skaliert wird. Für jede Stunde des Jahreswird die mit erneuerbaren Energien erzeugte Strom- bzw. Wärmemenge mit demaktuellen Bedarf verglichen. Bei Überschuss werden Speicher geladen, bei UnterschussSpeicher entladen. Sind Stromspeicher vollständig geladen und es liegt weitererÜberschussstrom vor, so wird synthetisches Gas erzeugt und eingelagert. Sind Strombzw. Wärmespeicher entladen, so muss Gas für die Strom- bzw. Wärmebereitstellungverwendet werden. Diese Jahressimulation wird iterativ so oft wiederholt, bis eineausgeglichene Energiebilanz gegeben ist, d. h. alle Langzeitspeicher (zentraleWärmespeicher, Gasspeicher) am Jahresanfang und -ende den gleichen Ladezustandaufweisen. Als Größe zur Egalisierung der Energiebilanz wird die Kapazität vonPhotovoltaikanlagen verwendet. Ist also am Ende eines Simulationslaufs z. B. derLadezustand des Gasspeichers niedriger als zu Beginn, so muss sukzessive die Kapazitätvon Photovoltaikanlagen solange erhöht und die Jahresrechnung wiederholt werden,bis eine ausgeglichene Speicherbilanz erreicht ist 1.Methodisches VorgehenLetztlich werden innerhalb einer Simulation viele hunderttausend unterschiedlicherSystemkombinationen für ein gesamtes Jahr Stunde für Stunde durchgerechnet –jeweils so oft bis eine ausgeglichene Energiebilanz erreicht ist – und mittels einesmathematischen Algorithmus der hoch-dimensionale Parameterraum peu à peu soeingegrenzt, dass kostengünstigste Systeme identifiziert werden (zur Annäherung derEinzelsimulationen an ein Minimum siehe beispielhaft Abb. 2).Abb. 2 Grafische Darstellung der Annäherung der Einzelsimulationen an ein Minimum. JederPunkt repräsentiert eine Rechnung (Jahressimulation) mit einer bestimmten Konfiguration.(Quelle: Eigene Berechnung)1Die Stromerzeugung aus Photovoltaik als Größe zur Egalisierung der Energiebilanz wurde verwendet, danach derzeitigem Kenntnisstand die Potenziale der meisten anderen erneuerbaren Stromerzeuger (Windon-und offshore, Wasser, Biomasse) aufgrund verschiedenster Faktoren stärker eingeschränkt sind.Photovoltaikanlagen hingegen bieten durch vielseitige Einsatzmöglichkeiten (auf Dächern, Fassaden,Freiflächen) das größte technische Potenzial (vgl. auch Kapitel 3 – Technische Potenziale).Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme10 37

Zielgröße der Optimierung und energiewirtschaftliche AnnahmenMethodisches VorgehenEin mathematischer Optimierungsalgorithmus erlaubt es – trotz der unendlich vielenKombinationsmöglichkeiten der einzelnen Komponenten – in überschaubarer Zeitgünstigste Systemkombinationen zu ermitteln. Dabei ergibt sich die Frage, was einesinnvolle Zielgröße für die Optimierung ist. Wir haben hierfür die jährlichenGesamtkosten gewählt. Da das Energiesystem, das wir betrachten, zu 100 % miterneuerbaren Energien arbeitet, fallen keine Brennstoffkosten an. Allerdings müssensämtliche Einzelanlagen nach Ablauf ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden, esentsteht also ein Finanzierungsaufwand für Re-Investitionen, wobei neben deneigentlichen Investitionen auch Kapitalkosten (Kreditfinanzierung, Eigenkapitalrendite)zu berücksichtigen sind. Außerdem müssen sämtliche Anlagen gewartet werden. Wirhaben für alle Anlagen einschließlich der Netze die entstehenden Kosten für Austausch,Finanzierung und Wartung auf jährliche Gesamtkosten umgerechnet und dann in derOptimierung diejenigen Systemkombinationen ermittelt, die zu niedrigsten jährlichenGesamtkosten führen. Dabei wurde vereinfachend als allgemeiner Zinssatz 4 %verwendet und angenommen, dass jede Anlage über die Lebensdauer, maximal jedoch25 Jahre abgeschrieben wird1. Da wir ein Zielsystem in weiter zeitlicher Ferne, also z. B.im Jahr 2050, betrachten und davon ausgehen, dass alle verwendeten Technologieneinen hohen Grad an industrieller Fertigung erreicht haben, haben wir Kostenwerteverwendet, die nach breiter Markteinführung, hohem Entwicklungsstand derTechnologie und Realisierung von Skaleneffekten in der Fertigung erreicht werden. Fürdie allermeisten Komponenten liefert die Internationale Energie-Agentur (IEA) hierfürfundierte und in umfänglichen Studien ermittelte Zahlen [15]; neben diesen Kostenwerden auch aus heutiger Sicht absehbare Effizienz-Werte angegeben, die in unserenRechnungen Verwendung finden. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Zahlenwertetrotz gewissenhafter Berechnung natürlich einer, je nach Technik undEntwicklungsstand, mehr oder weniger großen Unsicherheit unterliegen. Alleverwendeten Werte sind in übersichtlicher Weise in Anhang A zusammen gefasst.EnergieeinsparungenFür die energetische Gebäudesanierung, die ein wichtiges Element der Politik für dieEnergiewende darstellt, haben wir aus verschiedenen Studien ([16-19]) eine Kurvegeneriert, in der wir die spezifischen Mehrkosten für die energetische Sanierung in pro m² Wohn-bzw. Nutzfläche je nach erreichter Sanierungstiefe abbilden (Abb. 3).Hier ist es wichtig anzumerken, dass diese Kurve nur die Mehrkosten enthält, die füreine energetische Sanierung im Vergleich zu einer Renovierung ohneenergieverbrauchsreduzierende Maßnahmen darstellt. Die dargestellte Funktion basiertauf einer Analyse der heutigen Kostensituation und es sind keine potenziell denkbarenKostensenkungen für energetische Sanierung beispielsweise durch einen höherenVorfertigungsgrad oder neue Dämmmaterialien berücksichtigt.1Dieser vergleichsweise niedrige Wert wird unter der Annahme getroffen, dass die Eigentümerstruktur derEnergietechnologien in Zukunft stärker diversifiziert sein wird. Im heutigen Energiesystem gibt es weinigedominante Energieversorgungsunternehmen die eingesetztes Kapital mit wesentlich höherenRisikoaufschlägen und Eigenkapitalrenditen beaufschlagen. Da im betrachteten zukünftigen System auchprivate Anwender eine große Rolle spielen, können die in diesem ersten vereinfachten Ansatz gewähltendurchschnittlichen Zinssätze begründet werden.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme11 37

Energiebedingte Mehrkosten derGebäudesanierung [ /m²]350Methodisches 100%Wärmenachfrage [100% Nachfrage in 2010]Abb. 3 Kostenverlauf der Energieeffizienz bedingten Mehrkosten für energetische Sanierung (in /m²) in Abhängigkeit des Grades der Energieeinsparung bezogen auf den Wert aus 2010(Quelle: Eigene Berechnung basierend auf Daten aus [16-19])Die Effizienz (Arbeitszahl) von Wärmepumpen ist stark von der Vorlauftemperatur desHeizungssystems abhängig. Damit resultiert auch eine Abhängigkeit vom Zustand derenergetischen Sanierung in Gebäuden. Da technisch bedingt die Jahresarbeitszahlen 1von Wärmepumpen mit steigender Vorlauftemperatur abnehmen, haben wir den inAbb. 4 dargestellten Zusammenhang im Modell berücksichtigt.5.0elektrische 50%60%70%80%90%100%Wärmenachfrage [100 % entspricht der Nachfrage in 2010]Abb. 4 Abhängigkeit der durchschnittlichen Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen vomSanierungszustand (oben: elektrische Wärmepumpe, unten: Gas-Wärmepumpe)(Quelle: Eigene Berechnung basierend auf Daten aus [20, 21])Beschrieben wird hierdurch der Umstand, dass in nicht sanierten Gebäuden häufigHeizungssysteme mit höheren Vorlauftemperaturen (z.B. Radiatoren) verwendet1Die Jahresarbeitszahl beschreibt das Verhältnis von abgegebener Heizwärme zu aufgenommenerStrommenge über den Zeitraum eines Jahres.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme12 37

werden. Erst durch die Reduktion des spezifischen Heizwärmebedarfs und damitoftmals verbunden das Verwenden großflächiger Wärmeabgabesysteme (z.B.Fußbodenheizung) kann die erforderliche Vorlauftemperatur reduziert werden und dieverwendeten Wärmepumpensysteme können mit günstigeren Jahresarbeitszahlenbetrieben werden [20, 21].Methodisches VorgehenSzenarienNeben Energiesystemen, die zu 100 % mit erneuerbaren Energien arbeiten werden imRahmen dieser Studie auch Systeme betrachtet, die zum einen Deutschland nicht alsisoliertes Inselsystem betrachten und zum anderen unterschiedliche Mengen fossilerEnergie in den betrachteten Sektoren zulassen. Der schon heute bestehende engeVerbund mit Deutschlands Nachbarländern wird in einem zukünftigen System eineimmer wichtigere Rolle spielen. In Kapitel 4.4 wird deshalb untersucht, welchen Einflussdas Im- und Exportieren von Elektrizität auf das deutsche Versorgungssystem undinsbesondere auf die Spitzenlastabdeckung durch GuD-Anlagen hat. Ebenfalls werdenin Kapitel 4.4 darüber hinaus verschiedene Szenarien betrachtet, in denen fossileEnergieträger einen gewissen Prozentsatz der Energiebereitstellung ausmachen.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme13 37

3Technische PotenzialeTechnische PotenzialeErneuerbare Energien können in Deutschland aufgrund verschiedenster Faktoren nichtunbegrenzt ausgebaut werden. Damit diese Restriktionen hinreichend im Modellberücksichtigt werden, werden in den folgenden Absätzen die technischenPotenzialgrenzen der implementierten Stromerzeuger aufgeführt und erläutert.WindenergieanlagenBei der Bestimmung des technisch nutzbaren Potenzials von Windenergieanlagen(WEA) wird zunächst von der gesamt zur Verfügung stehenden Fläche für den Aufbauausgegangen und unter Berücksichtigung eines Mindestabstandes zwischenunterschiedlichen WEA eine theoretisch installierbare Anzahl an Anlagen berechnet.Dieser Mindestabstand muss eingehalten werden, damit das Strömungsfeld jeder WEAunbeeinträchtigt ist und der höchste Wirkungsgrad erzielt werden kann. Im Anschlussan diese erste Abschätzung wird das Flächenpotenzial sukzessive reduziert. Gründe fürdie Reduktion der für WEA zur Verfügung stehenden Fläche sind sehr vielschichtig undsollen hier nur kurz angerissen werden. Den größten Einfluss auf die wirtschaftlicheNutzbarkeit eine Windenergieanlage haben die Windverhältnisse. Werden WEA zumBeispiel im Windschatten von Erhöhungen gebaut oder ist die Nabenhöhe begrenzt,sind die Strömungsgeschwindigkeiten des Windes zu niedrig und der Ertrag der WEAentsprechend gering.Neben diesen technischen Restriktionen spielen aber auch Faktoren wie derNaturschutz oder die Konkurrenz zur anderweitigen Nutzung der Fläche eine wichtigeRolle. Bei offshore WEA ist es darüber hinaus bedeutsam in welcher Tiefe die Anlagengebaut werden sollen und in welchem Abstand sich die WEA zum angrenzenden Landbefinden soll. Beide Faktoren können die Kosten für eine mögliche Anlageninstallationso stark erhöhen, dass eine wirtschaftliche Nutzung nicht mehr darstellbar ist. ImRahmen unserer Modellierung stützen wir uns auf die Berechnungen des FraunhoferIWES [22] die im Windenergiereport Deutschland (2011) für onshore WEA ein Potenzialin Deutschland von ca. 200 GW und für offshore WEA ein Potenzial von ca. 85 GW1ermitteln.Solarthermie und PhotovoltaikIn einer weiteren Studie des Fraunhofer IWES [23] wurde das in Deutschlandvorhandene Flächenpotenzial für solarthermische und Photovoltaik Anlagen berechnet.Diese Flächen ergeben sich aus theoretisch zur Verfügung stehenden Flächen undEinschränkungen die einen wirtschaftlichen Betrieb ausschließen. Der Ertrag der vonder Sonneneinstrahlung abhängigen Technologien ist zum Beispiel maßgeblich vonihrem Standort und der Ausrichtung der Anlage abhängig. So können z.B. nachNorden ausgerichtete Dachflächen, Fassaden oder Flächen entlang von Verkehrswegennicht für die Strom- oder Wärmeerzeugung genutzt werden. Die Nutzung vonFreiflächen, auf denen die Ausrichtung der Anlagen frei gewählt werden kann, wirdhingegen durch konkurrierende anderweitige Nutzformen der Flächen beschränkt.Zusammenfassend wird das Flächenpotenzial für die Nutzung von Solarenergie1Das Potenzial der offshore WEA wird in dieser Studie nicht als Kapazität sondern als Energiemenge (ca. 300TWh) angegeben. Um eine Vergleichbarkeit herzustellen wurde dieser Wert unter der Annahme von 3500Vollaststunden pro Jahr auf ca. 85 GW umgerechnet.Fraunhofer ISE100 % EE für Strom und Wärme14 37

basierend auf den Zahlen des Fraunhofer IWES in Abb. 5 dargestellt. Insgesamt ergibtsich eine nutzbare Gesamtfläche (ohne Freiflächen1) für solare Anlagen von 2845 km².Dies entspricht einer installierbaren Leistung von solarthermischen Anlagen in einerGrößenordnung von ca. 2000 GW oder einer elektrischen Leistung vonPhotovoltaikanlagen von ca. 400 GW.Technische PotenzialeDachflächenFassadenVersiegelte FlächeEntlang von AutobahnenEntlang von Schienenwegen0200400600800100012001400km²Abb. 5 Flächenpotenzial für die Installation von Photovoltaikanlagen in Deutschland(Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Daten des Fraunhofer IWES [23])WasserkraftanlagenIm Gegensatz zu den zuvor erläuterten Technologien spielt der Anteil derEnergiebereitstellung durch Wasserkraftanlagen in Deutschland eine eheruntergeordnete Rolle. Dies ist auch der Grund dafür, dass sowohl Laufwasser- als auchPumpspeicherkraftwerke in unserem Modell nicht als Teil der Optimierung, sondern mitfester Größe implementiert wurden.So haben wir für die Kapazität der Laufwasserkraftwerke einen fixen Wert von 5 GWmaximaler Leistung bei einer Jahreserzeugung von 21 TWh elektrischer Energieangenommen. Diese Werte liegen leicht über denen der heute installierten Anlagen.Nach [24] betrug die installierte Leistung von Laufwasserkraftwerken in 2007 ca.4.3 GW. Die von uns geschätzte Steigerung auf 5 GW kann in Zukunft vornehmlichdurch Re-Powering bestehender Anlagen erfolgen.Der heutige Wert der installierten Leistung von Pumpspeicherkraftwerken liegt nach[25] bei c

1. Eine Energieversorgung Deutschlands für Strom und Wärme ist mit 100 % erneuerbaren Energien möglich, und zwar ohne jegliche Importe von Energie, also nur auf Basis von Ressourcen, die in Deutschland zur Verfügung stehen. Wir stoßen nicht an technische Potenzialgrenzen und alle Tec